Ультразвуковой способ выполнения отверстий в твердых и хрупких материалах

Проблемы обработки графита: почему это сложно

Широкому распространению изделий из графита в современных производствах препятствуют серьезные проблемы обработки.

Рис. 1. Пример изделия из графита

Выполнение пазов и отверстий, необходимых для крепления и использования изделий, является сложной технической задачей. Причина — чрезмерная хрупкость материала.

Графит крошится. Скалывается. Трескается. Знакомая ситуация?

В настоящее время наибольшее распространение для обработки графита получил способ сверления алмазосодержащим вращающимся инструментом.

Но у этого метода есть серьезные недостатки:

• ✖️ Позволяет выполнять только круглые сквозные отверстия
• ✖️ Низкая производительность
• ✖️ Высокая энергоемкость процесса

А что если нужно глухое отверстие? Или паз? Или отверстие нестандартной формы?

Ультразвуковой способ: принцип работы и преимущества

Среди других способов обработки хрупких материалов известна ультразвуковая размерная обработка.

Как это работает?

Использование ультразвуковых колебаний высокой интенсивности обеспечивает выполнение:

• ★ Сквозных и глухих отверстий любой формы
• ★ Пазов в хрупких материалах

Применяется для:

• ✓ Керамики
• ✓ Стекла
• ✓ Самоцветов
• ✓ Ферритов
• ✓ И, конечно, графита

Ультразвуковой способ представляет собой разновидность долбления. Хрупкий материал выкалывается из изделия ударами зерен более твердого абразива.

Зерна абразива направляются торцом рабочего инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой.

Преимущества метода:

Отсутствие после обработки остаточных напряжений — это критично. Именно они приводят к образованию поверхностных трещин.

Экспериментальное оборудование: аппарат «Сапфир»

Проверка функциональных возможностей ультразвуковой обработки графита была осуществлена при помощи ультразвукового аппарата серии «Сапфир».

Модель: СУЗ-0,4/22-О, производства ООО «ЦУТ АлтГТУ».

Характеристики оборудования:

• ✦ Диаметр отверстий: от 1,5 до 50 мм
• ✦ Скорость (по стеклу): до 5 мм/мин

Рис. 2. Внешний вид ультразвукового аппарата

С применением указанного оборудования выполнялись сквозные отверстия диаметрами 5, 10 и 12 мм.

Паз на торцевой поверхности выполнялся инструментом диаметром 12 мм.

Во всех экспериментах использовалась абразивная суспензия:

• ☑️ Состав: вода + карбид кремния
• ☑️ Соотношение: 10/1
• ☑️ Подача: непрерывно, кистью, в зону сверления

Результаты исследований: от 10 до 60 мкм

Результаты размерной обработки графитового изделия представлены на рисунке.

Рис. 3. Изделие после размерной обработки

Влияние амплитуды на качество отверстий

При проведении исследований и отработке технологии выполнения отверстий в изделии из графита максимальная амплитуда колебаний ультразвукового воздействия увеличивалась от 10 до 60 мкм.

Что произошло?

При увеличении амплитуды и скорости сверления на выходе инструмента из материала на графитовом образце образовались небольшие сколы.

Рис. 4. Отверстия в графитовом образце с небольшими сколами

С одной стороны, отверстия высокого качества со стороны поверхности сверления.

С другой — сколы на выходе.

Проблема?

Оптимальные параметры: 35 мкм

Для обеспечения отверстий высокого качества в изделиях из графита экспериментально подобрана амплитуда колебаний рабочего инструмента.

Результат: порядка 35 мкм.

Образцы, полученные при выполнении отверстий с указанной амплитудой колебаний:

Рис. 5. Отверстия в графитовом образце высокого качества

Как следует из фото, отверстия, полученные путем ультразвукового сверления, практически не имеют сколов.

А это обычно проблема при выходе инструмента при использовании других способов обработки.

В результате сверления отверстий в изделии из графита рабочим инструментом с оптимальной амплитудой колебаний (35 мкм), в зависимости от диаметра рабочего инструмента:

Обработка пазов сложной формы

Для подтверждения возможностей ультразвукового способа обработки графита проведено выполнение пазов сложной формы.

В качестве примера показан результат выполнения обработки без вращения с получением паза сложной формы.

Рис. 6. Глухое отверстие прямоугольной формы в изделии из графита

Обратите внимание: обработка без вращения.

Это важно. Традиционные методы требуют вращения инструмента. Ультразвук — нет.

Что это дает?

• ★ Возможность создания пазов любой геометрии
• ★ Прямоугольные отверстия
• ★ Фигурные вырезы
• ★ Сложный контур

Практическое применение: рекомендации

В результате выполнения работы была показана возможность и эффективность использования ультразвукового способа для обработки изделий из графита.

Что сделано:

1. Выбрана и отработана технология выполнения глухих и сквозных отверстий различной формы высокого качества
2. Использовано стандартное ультразвуковое оборудование
3. Определена оптимальная амплитуда ультразвукового воздействия — 35 мкм

Технология и оборудование могут быть рекомендованы для практического промышленного применения.

Почему это важно?

Графит широко используется в современных производствах:

• ✦ Электротехника
• ✦ Металлургия
• ✦ Химическая промышленность
• ✦ Ядерная энергетика

Но обработка — проблема.

Ультразвуковой метод решает эту проблему.

Преимущества для производства:

Технология готова к внедрению.

Оборудование доступно.

Остается только начать.

В.Н. Хмелев, С.В. Левин,
С.С. Хмелев, С.Н. Цыганок
ООО "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ"

Литература

1. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н. Ультразвуковая размерная обработка материалов: Монография/ Алт. гос. техн. ун-т. им. И.И. Ползунова. – Барнаул: изд. АлтГТУ, 1999. – 120 с.
2. http://u-sonic.ru/devices/sapphire2